Operação e otimização de sensores capacitivos (como os sensores capacitivos funcionam e como usá-los efetivamente)

TECHNOTE LT03-0020

Sensor capacitivo TechNote LT03-0020

Direitos autorais © 2012 Lion Precision. www.lionprecision.com

Resumo

Esta nota técnica revisa conceitos e teoria da detecção capacitiva para ajudar a otimizar o desempenho do sensor capacitivo. Ele também define os termos de sensor capacitivo usados ​​na literatura e nos manuais da Lion Precision.

Capacitância e Distância

Sensores capacitivos sem contato funcionam medindo alterações em uma propriedade elétrica chamada capacitância. A capacitância descreve como dois objetos condutores com um espaço entre eles respondem a uma diferença de tensão aplicada a eles. Quando uma voltagem é aplicada aos condutores, um campo elétrico é criado entre eles, causando a acumulação de cargas positivas e negativas em cada objeto (Fig. 1). Se a polaridade da tensão for revertida, as cargas também serão revertidas.

Os sensores capacitivos usam uma tensão alternada que faz com que as cargas invertam continuamente suas posições. O movimento das cargas cria uma corrente elétrica alternada que é detectada pelo sensor (Fig. 2). A quantidade de

o fluxo de corrente é determinado pela capacitância, e a capacitância é determinada pela área e proximidade dos objetos condutores. Objetos maiores e mais próximos causam maior corrente do que objetos menores e mais distantes. A capacitância também é afetada pelo tipo de material não condutor no espaço entre os objetos.

Tecnicamente falando, a capacitância é diretamente proporcional à área da superfície dos objetos e à constante dielétrica do material entre eles, e inversamente proporcional à distância entre eles (Fig. 3).

Aplicação de tensão a objetos condutores

Figura 1
A aplicação de uma tensão a objetos condutores causa cargas positivas e negativas
para coletar em cada objeto. Isso cria um campo elétrico no espaço entre os objetos

Aplicando uma tensão alternada

Figura 2
A aplicação de uma tensão alternada faz com que as cargas se movam para frente e para trás entre os objetos, criando uma corrente alternada que é detectada pelo sensor.

Fórmula de Área

Figura 3
A capacitância é determinada por Área, Distância e Dielétrico (o material entre os condutores). Capacitância
aumenta quando a área ou dielétrico aumenta e a capacitância diminui
quando a distância aumenta.

Em aplicações típicas de detecção capacitiva, a sonda ou sensor é um dos objetos condutores; o objeto de destino é o outro. (O uso de sensores capacitivos para detectar plásticos e outros isoladores é discutido na seção de alvos não condutores.) Os tamanhos do sensor e do alvo são considerados constantes, assim como o material entre eles. Portanto, qualquer alteração na capacitância é resultado de uma alteração na distância entre a sonda e o alvo. Os componentes eletrônicos são calibrados para gerar alterações de tensão específicas para as alterações correspondentes na capacitância. Essas tensões são dimensionadas para representar mudanças específicas na distância. A quantidade de mudança de tensão para uma determinada quantidade de mudança de distância é chamada de sensibilidade. Uma configuração de sensibilidade comum é 1.0V / 100µm. Isso significa que, para cada mudança de 100µm na distância, a tensão de saída muda exatamente 1.0V. Com essa calibração, uma alteração de + 2V na saída significa que o alvo se aproximou 200 µm da sonda.

Focando o campo elétrico

Quando uma voltagem é aplicada a um condutor, o campo elétrico emana de todas as superfícies. Em um sensor capacitivo, a tensão de detecção é aplicada à área de detecção da sonda (figs. 4, 5).

Para medições precisas, o campo elétrico da área de detecção precisa estar contido no espaço entre a sonda e o alvo. Se for permitido que o campo elétrico se espalhe para outros itens ou outras áreas no alvo, uma mudança na posição do outro item será medida como uma mudança na posição do alvo.

Uma técnica chamada “guarda é usada para impedir que isso aconteça. Para criar uma proteção, as costas e os lados da área de detecção são cercados por outro condutor que é mantido na mesma voltagem que a própria área de detecção (Fig. 4, 6).

Quando a tensão é aplicada à área de detecção, um circuito separado aplica exatamente a mesma tensão à proteção. Como não há diferença de tensão entre a área de detecção e a proteção, não há campo elétrico entre elas. Quaisquer outros condutores ao lado ou atrás da sonda formam um campo elétrico com a proteção em vez da área de detecção. Somente a frente desprotegida da área de detecção pode formar um campo elétrico com o alvo.

Sensores capacitivos

Figura 4 Componentes da sonda de sensor capacitivo

Campo elétrico

Figura 5
Vista em corte mostrando um campo elétrico da área de detecção não protegida

Figura 6

Figura 6
Corte mostrando o campo de proteção que molda o campo elétrico da área de detecção


Efeitos do tamanho do alvo

O tamanho do destino é uma consideração primária ao selecionar uma sonda para um aplicativo específico. Quando o campo elétrico do sensor é focado pela proteção, ele cria um campo levemente cônico que é uma projeção da área do sensor. O diâmetro alvo mínimo para calibração padrão é 130% do diâmetro da área de detecção. Quanto mais longe a sonda estiver do alvo, maior o tamanho mínimo do alvo.

Faixa de Medição

O intervalo em que uma sonda é útil é uma função do tamanho da área de detecção. Quanto maior a área, maior o alcance. Os componentes eletrônicos do driver são projetados para uma certa quantidade de capacitância na sonda. Portanto, uma sonda menor deve estar consideravelmente mais próxima do alvo para atingir a quantidade desejada de capacitância. Os componentes eletrônicos são ajustáveis ​​durante a calibração, mas há um limite para a faixa de ajuste.
Em geral, o intervalo máximo no qual uma sonda é útil é de aproximadamente 40% do diâmetro da área de detecção. Calibrações padrão geralmente mantêm a diferença consideravelmente menor que isso.

Detecção de múltiplos canais

Freqüentemente, um alvo é medido simultaneamente por várias sondas. Como o sistema mede um campo elétrico variável, a tensão de excitação de cada sonda deve ser sincronizada ou as sondas interferem entre si. Se não estivessem sincronizados, uma sonda tentaria aumentar o campo elétrico enquanto outra tentaria diminuí-lo, fornecendo uma leitura falsa.

A eletrônica do driver pode ser configurada como mestre ou escravo. O mestre define a sincronização para os escravos em sistemas de múltiplos canais.

Efeitos do material alvo

O campo elétrico sensor está buscando uma superfície condutora. Desde que o alvo seja um condutor, os sensores capacitivos não são afetados pelo material alvo específico. Como o campo elétrico sensor pára na superfície do condutor, a espessura do alvo não afeta a medição. .

Medição de não condutores

Figura 7

Figura 7
Os não condutores podem ser medidos passando o campo elétrico através deles para um alvo condutor estacionário atrás.

Sensores capacitivos são mais frequentemente usados ​​para medir a mudança de posição de um alvo condutor. Mas os sensores capacitivos também podem ser eficazes na medição da presença, densidade, espessura e localização de não condutores. Materiais não condutores como o plástico têm uma constante dielétrica diferente do ar. A constante dielétrica determina como um material não condutor afeta a capacitância entre dois condutores. Quando um não condutor é inserido entre a sonda e um alvo de referência estacionário, o campo sensor passa pelo material para o alvo aterrado (Fig. 7). A presença do material não condutor altera o dielétrico e, portanto, altera a capacitância. A capacitância mudará em relação à espessura ou densidade do material.

Maximizando a precisão

Agora que discutimos o básico de como o sensor capacitivo funciona, podemos formar estratégias para maximizar a eficácia e minimizar o erro quando os sensores capacitivos são usados. A precisão exige que as medições sejam feitas nas mesmas condições em que o sensor foi calibrado. Seja um sensor calibrado na fábrica ou um calibrado durante o uso, os resultados repetíveis vêm de condições repetíveis. Se queremos apenas que a distância afete a medição, todas as outras variáveis ​​devem ser constantes. As seções a seguir discutem fontes de erro comuns e como minimizá-las.

Maximizando a precisão: tamanho alvo

Figura 9

Figura 9
Um alvo subdimensionado faz com que o campo sensor se estenda para os lados do alvo, introduzindo erros

Salvo indicação em contrário, as calibrações de fábrica são feitas com um alvo condutor plano que é consideravelmente maior que a área de detecção. Um sensor calibrado dessa maneira fornecerá resultados precisos ao medir um alvo plano mais de 30% maior que a área de detecção. Se a área do alvo for muito pequena, o campo elétrico começará a envolver os lados do alvo, o que significa que o campo elétrico se estende mais do que na calibração e mede o alvo o mais longe possível (Fig. 9). Nesse caso, a sonda deve estar mais próxima do alvo para o mesmo ponto zero. Como essa distância difere da calibração original, o erro será introduzido. O erro também é criado porque a sonda não mede mais uma superfície plana.

Se a distância entre a sonda e o alvo for considerada o eixo Z, um problema adicional de um alvo de tamanho menor é que o sensor se torna sensível à localização X e Y da sonda. Sem alterar o espaço, a saída mudará significativamente se a sonda for movida no eixo X ou Y, porque menos campo elétrico está indo para o centro do alvo e mais está circulando para os lados.

Maximizando a precisão: forma do alvo

Figura 10

Figura 10 Um alvo curvo exigirá que a sonda esteja mais próxima e a sensibilidade será afetada

Forma também é uma consideração. Como as sondas são calibradas para um alvo plano, a medição de um alvo com uma superfície curva causará erros (Fig. 10). Como a sonda medirá a distância média ao alvo, o intervalo a zero volts será diferente do quando o sistema foi calibrado. Erros também serão introduzidos devido ao comportamento diferente do campo elétrico com a superfície curva. Nos casos em que um alvo não plano deve ser medido, o sistema pode ser calibrado na fábrica para o formato final do alvo. Como alternativa, quando calibrações planas são usadas com superfícies curvas, multiplicadores podem ser fornecidos para corrigir o valor da medição.

Maximizando a precisão: acabamento superficial

Quando a superfície de destino não é perfeitamente lisa, o sistema calcula a média da área coberta pelo tamanho do ponto do sensor. O valor da medição pode mudar à medida que a sonda é movida pela superfície devido a uma alteração na localização média da superfície. A magnitude desse erro depende da natureza e simetria das irregularidades da superfície.

Maximizando a precisão: paralelismo

Durante a calibração, a superfície do sensor é paralela à superfície alvo. Se a sonda ou o alvo estiver inclinado em uma quantidade significativa, a forma do ponto em que o campo atinge o alvo se alonga e altera a interação do campo com o alvo. Devido ao comportamento diferente do campo elétrico, erros de medição serão introduzidos. Em altas resoluções, até alguns graus podem apresentar erros. O paralelismo deve ser considerado ao projetar um acessório para a medição.

Maximizando a precisão: ambiente

Sistemas de sensores capacitivos Lion Precision são compensados ​​para minimizar o desvio devido à temperatura de 22 ° C - 35 ° C (72 ° F - 95 ° F). Nesta faixa de temperatura, os erros são inferiores a 0.5% da escala total. 

Um problema mais problemático é que praticamente todos os materiais usados ​​em alvos e acessórios exibem uma expansão e contração significativa nessa faixa de temperatura. Quando isso acontece, as mudanças relacionadas à temperatura na medição não são um erro de medição. São mudanças reais no espaço entre o alvo e a sonda. O design cuidadoso do acessório ajuda bastante a minimizar esse erro e a maximizar a precisão.

A constante dielétrica do ar é afetada pela umidade. À medida que a umidade aumenta, a constante dielétrica aumenta. A umidade também pode interagir com os materiais de construção da sonda. Dados experimentais mostram que alterações de 50% RH a 80% RH podem causar erros de até 0.5% da escala completa.

Embora os materiais da sonda Lion Precision sejam selecionados para minimizar esses erros, em aplicações que exigem a máxima precisão, o controle de temperatura e umidade é uma prática padrão. As normas internacionais especificam que as medições devem ser feitas a 20 ° C ou corrigidas para o “comprimento verdadeiro” a 20 ° C.

Calibração de fábrica

O sistema de calibração de sensor capacitivo da Lion Precision foi projetado em cooperação com a Professional Instruments, líder mundial em design de fuso e escorregador de rolamentos de ar. Seu design de ponta é conduzido por eletrônicos de controle de movimento de precisão com precisão posicional inferior a 0.012 µm de incerteza.
O sistema de calibração é certificado regularmente com um interferômetro a laser rastreável NIST. O equipamento de medição usado durante a calibração (medidores digitais e geradores de sinal) também é calibrado para os padrões rastreáveis ​​ao NIST. As informações de calibração de cada uma dessas peças de equipamento são mantidas em arquivo para verificação da rastreabilidade.

Os técnicos usam o sistema de calibração para posicionar com precisão um alvo de calibração a distâncias conhecidas do sensor capacitivo. As medições nesses pontos são coletadas e a sensibilidade e linearidade são analisadas pelo sistema de calibração. A análise dos dados é usada para ajustar o sistema que está sendo calibrado para atender às especificações do pedido.

Depois que a sensibilidade e a linearidade são calibradas, os sistemas de sensores capacitivos são colocados em uma câmara ambiental onde o circuito de compensação de temperatura é calibrado para minimizar o desvio na faixa de temperatura de 22 ° C a 35 ° C. Também são feitas medições de largura de banda e ruído de saída que afetam a resolução.

Quando a calibração é concluída, um certificado de calibração é gerado. Este certificado é enviado com o sistema solicitado e arquivado. Os certificados de calibração estão em conformidade com a seção 4.8 da ISO 10012-1.

Sensibilidade

Sensibilidade - A inclinação da linha é a sensibilidade; neste caso, 1V / 0.05 mm.

Sensibilidade - A inclinação da linha é a sensibilidade; neste caso, 1V / 0.05 mm.

A sensibilidade indica quanto a tensão de saída muda como resultado de uma mudança no espaço entre o alvo e o sensor capacitivo. Uma sensibilidade comum é de 1V / 0.1mm. Isso significa que, para cada 0.1 mm de mudança na folga, a tensão de saída mudará 1V. Quando a tensão de saída é plotada em relação ao tamanho da folga, a inclinação da linha é a sensibilidade.

Erro de sensibilidade

Erro de sensibilidade - A inclinação das medições reais desvia da inclinação ideal.

Erro de sensibilidade - A inclinação das medições reais desvia da inclinação ideal.

A sensibilidade de um sensor é definida durante a calibração. Quando a sensibilidade se desvia do valor ideal, isso é chamado de erro de sensibilidade, erro de ganho ou erro de escala. Como a sensibilidade é a inclinação de uma linha, o erro de sensibilidade geralmente é apresentado como uma porcentagem da inclinação; comparando a inclinação ideal com a inclinação real.

Erro de deslocamento

O erro de deslocamento ocorre quando um valor constante é adicionado ao

Erro de compensação - um valor constante é adicionado a todas as medições

Erro de compensação - um valor constante é adicionado a todas as medições.

a tensão de saída do sistema. Os sistemas de sensores capacitivos geralmente são "zerados" durante a instalação, eliminando quaisquer desvios de deslocamento da calibração original. No entanto, se o erro de correção mudar após o sistema ser zerado, o erro será introduzido na medição. A mudança de temperatura é o principal fator no erro de deslocamento. Os sistemas Lion Precision são compensados ​​por erros de deslocamento relacionados à temperatura para mantê-los abaixo de 0.04% FS / ° C.

Erro de linearidade

Erro de linearidade - os dados de medição não estão em uma linha reta

Erro de linearidade - os dados de medição não estão em uma linha reta.

A sensibilidade pode variar um pouco entre dois pontos de dados. Essa variação é chamada de erro de linearidade. A especificação de linearidade é a medida de quão longe a saída varia de uma linha reta.

Para calcular o erro de linearidade, os dados de calibração são comparados com a linha reta que melhor se ajusta aos pontos. Essa linha de referência reta é calculada a partir dos dados de calibração usando uma técnica chamada ajuste de mínimos quadrados. A quantidade de erro no ponto da curva de calibração mais distante dessa linha ideal é o erro de linearidade. O erro de linearidade é geralmente expresso em termos de porcentagem da escala completa. Se o erro no pior ponto fosse 0.001mm e a faixa de escala completa da calibração fosse 1mm, o erro de linearidade seria de 0.1%.
Observe que o erro de linearidade não considera erros de sensibilidade. É apenas uma medida da retidão da linha e não da inclinação da linha. Um sistema com erros grosseiros de sensibilidade pode ser muito linear.

Faixa de Erro

A banda de erro é responsável pela combinação de erros de linearidade e sensibilidade. É a medição do pior erro absoluto na faixa calibrada. A banda de erro é calculada comparando as tensões de saída em intervalos específicos com o valor esperado. O pior caso de erro dessa comparação é listado como a banda de erros do sistema.

lacuna
(MM)

Esperado
Valor
(VDC)

Real
Valor
(VDC)

erro
(MM)

0.50 -10.000 -9.800 -0.010
0.75 -5.000 -4.900 -0.005
1.00 0.000 0.000 0.000
1.25 5.000 5.000 0.000
1.50 10.000 10.100 0.005

Banda de erro - o pior caso de desvio dos valores medidos em relação aos valores esperados em um gráfico de calibração. Neste caso, a banda de erro é -0.010 mm.

Largura de Banda

Largura de banda é definida como a frequência na qual a saída cai para -3dB. Essa frequência também é chamada de frequência de corte. Uma queda de -3dB no nível do sinal equivale a uma queda de aproximadamente 70% na tensão de saída real. Com uma largura de banda de 15kHz, uma alteração de ± 1V em baixa frequência produz apenas uma alteração de ± 0.7V a 15kHz. Além de detectar movimento de alta frequência, as saídas de resposta rápida maximizam a margem de fase quando usadas em sistemas de feedback de servocontrole. Alguns drivers fornecem largura de banda selecionável para maximizar a resolução ou o tempo de resposta.

Resolução

Ruído de um sensor de 15kHz

Figura 14
Ruído de um sensor de 15kHz

Resolução é definida como a menor medida confiável que um sistema pode fazer. A resolução de um sistema de medição deve ser melhor que a precisão final exigida pela medição. Se você precisar conhecer uma medida dentro de 0.02 µm, a resolução do sistema de medição deve ser melhor que 0.02 µm. 
O principal fator determinante da resolução é o ruído elétrico. Ruído elétrico aparece na tensão de saída, causando pequenos erros instantâneos na saída. Mesmo quando a lacuna da sonda / alvo é perfeitamente constante, a tensão de saída do driver possui uma quantidade pequena, mas mensurável de ruído que parece indicar que a lacuna está mudando. Esse ruído é inerente aos componentes eletrônicos e só pode ser minimizado, mas nunca eliminado.
Se um driver tiver um ruído de saída de 0.002V com uma sensibilidade de 10V / 1mm, ele terá um ruído de saída de 0.000,2mm (0.2µm). Isso significa que, a qualquer momento, a saída pode ter um erro de 0.2 µm.

Ruído de um sensor de 100Hz

Figura 15
Ruído de um sensor de 100Hz

A quantidade de ruído na saída está diretamente relacionada à largura de banda. De um modo geral, o ruído é distribuído uniformemente por uma ampla gama de frequências. Se as frequências mais altas forem filtradas antes da saída, o resultado será menos ruído e melhor resolução (figs. 14, 15). Ao examinar as especificações de resolução, é essencial saber em que largura de banda as especificações se aplicam. Veja nossa artigo completo sobre as relações entre resolução e largura de banda e como ter certeza de que você está obtendo informações precisas das planilhas de dados.

LINKS ÚTEIS

Ícone de Documento
Ícone de Documento
Ícone de Documento

MEDIÇÃO DE ALTURA Z PARA ESTUDO DE CASO DE MICROSCÓPICOS DE ELETRÔNICO DE DIGITALIZAÇÃO

DETECÇÃO DA ALTURA Z PARA ESTUDO DE CASO DE INSPEÇÃO DE WAFER SEMICONDUTOR LATERAL

ESTUDO DE CASO SEMI SILICON WAFER THICKNESS